重型钢管匹配及组对方法与系统与流程

本发明涉及机械制造领域，涉及定位圆柱体工件，尤其涉及一种重型钢管匹配及组对方法与系统。

背景技术：

在大型陆地建筑、海洋工程结构、风力发电、管道运输等领域，大直径(406mm~3000mm)圆形钢管由于具有较为全面的力学性能被普遍采用。对于这种较大直径且具有较长长度圆形钢管的加工，目前普遍采用的是卷制——组对的工艺。通过卷管机等设备将钢板卷制成型后进行纵缝焊接，其次将多节钢管通过环缝组对及焊接的方式接长。在钢管卷制环节，需要将椭圆度控制在一定的范围内，以达到较佳的力学性能，同时尽可能在后续组对时满足错边量要求。在组对过程中，由于纵缝的存在，往往需要将相邻钢管的纵缝错开一定的角度，这就导致即使单节管椭圆度满足要求，在组对时仍然有错边量过大的情形出现。比如组对时当相邻钢管长轴与短轴正好相对时，错边量达到最大。在海洋工程领域，海洋平台钢结构对各个部位的强度有着更加高的要求，因而钢管在卷制以及组对过程中对椭圆度、直线度、错边量等都有着极为苛刻的要求，由此也导致了目前组对效率低下从而产生建造瓶颈。

技术实现要素：

针对现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种重型钢管匹配及组对方法与系统。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案之一是：提供一种重型钢管匹配及组对方法，包括步骤：

S1 测量钢管管端轮廓；

S2 利用管端轮廓进行模拟匹配，对不满足组对要求的钢管进行校圆；

S3 对满足要求的钢管进行组对。

所述步骤S2可细分为以下步骤：

S21 在钢管卷制过程中进行实时的管端轮廓监测；

S22 将需要组对的相邻管端轮廓进行模拟匹配；

S23 若相邻管端匹配后的错边量满足要求，则卷制完成；

S24 若相邻管端匹配后的错边量不满足要求，则对不满足要求的位置进行校圆，返回步骤S21。

所述步骤S3可以细分为以下步骤：

S31 将已组对的一节钢管放置在用于横向输送的输送辊上；

S32 将待组对的另一节钢管放置在两个滚轮架上；

S33 通过滚轮架实现待组对钢管的横向移动、纵向放置以及两个管端上下左右的调整以满足组对完成后钢管的直线度、错边量的要求；

S34 通过输送辊以及滚轮架将组对完成后的钢管横向运输以离开滚轮架区域。

所述模拟匹配可以包括以下步骤：

S221 计算出相邻钢管管端轮廓的几何中心以及纵缝位置；

S222 将相邻管端几何中心重合并将纵缝位置错开一定角度后，计算至少4个位置处的错边量。

进一步地，本发明提供一种可实现上述重型钢管匹配及组对方法的重型钢管匹配及组对系统，其特征在于：包括输送架和电动台车，所述输送架上安装有一列若干根V形传送辊，所述V形传送辊可转动地与传动装置连接；所述电动台车可沿输送架纵轴方向移动，其上安装有至少两对滚轮，其中至少一对滚轮与滚轮传动机构连接，所述滚轮分别连接有电动丝杆升降机构，每对滚轮连接有电动间距调节机构。

组对完成的钢管放于输送架的V形传送辊上，可在V形传送辊的带动下沿输送架的纵轴方向移动。

待组对钢管节放于电动台车的滚轮上，其高度通过杠杆式电动丝杆升降机构调节，其左右的偏离度通过电动间距调节机构调节。

进一步地：

所述输送架上沿其纵轴两侧安装有防坠架。用于防止组对完成的钢管的侧翻坠落。

所述V形传送辊的传动装置是链式传动装置。

所述电动台车下安装有行走钢轨，电动台车沿行走钢轨移动。

所述电动台车上安装有电动升降式托辊。辅助支撑待组对钢管节。

本发明还包括有监控主机，监控主机包括轮廓测量单元、模拟匹配单元和自动组对单元，其中：

轮廓测量单元用于测量钢管管端轮廓；

模拟匹配单元用于管端轮廓进行模拟匹配；

自动组对单元用于对满足要求的钢管进行自动化组对。

本发明将卷管及组对两个工艺流程进行了合理的结合，在卷管阶段对钢管进行实时的测量及模拟匹配，保证卷出的管都能满足组对要求；同时在组对阶段利用“输送辊+滚轮架”的组对组合模式，可实现低成本、高效率的钢管组对。

本发明的有益效果是：可以适用于较大直径范围钢管的组对，且效率高，成本低。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步的描述。

图1是本发明重型钢管匹配及组对方法的流程图。

图2是钢管轮廓测量原理图。

图3是测量原理图。

图4是管端拟合轮廓图，其中A为纵缝位置。

图5是本发明重型钢管匹配及组对系统结构示意图。

图6是图5的A-A视图。

图7是图5的B-B视图。

图中：1为组对完成的钢管、2为待组对钢管节、3为从动滚轮行走架、4为主动滚轮行走架、5为电动升降式托辊、6为行走钢轨、7为V形传送辊、8为防坠架、9为输送架、10为驱动电机、11为传动装置、12为滚轮、13为电动丝杆升降机构、14为钢轨、15为电动台车、16为电动间距调节机构。

具体实施方式

本发明一种重型钢管匹配及组对方法一种重型钢管匹配及组对方法，包括如下步骤：

S1 将组对完成的钢管1和待组对钢管节2分别放于输送架9的V形传送辊7和电动台车15的滚轮12上，分别测量钢管管端轮廓；

S2 利用管端轮廓进行模拟匹配，对不满足组对要求的钢管进行校圆；

S3 对满足要求的钢管进行自动化组对。

所述步骤S2可细分为以下步骤：

S21 在钢管卷制过程中进行实时的管端轮廓监测；

S22 将需要组对的相邻管端轮廓进行模拟匹配；

S23 若相邻管端匹配后的错边量满足要求，则卷制完成；

S24 若相邻管端匹配后的错边量不满足要求，则对不满足要求的位置进行校圆，返回步骤S21。

所述步骤S3可以细分为以下步骤：

S31 将已组对的一节钢管1放置在用于横向输送的V形传送辊7上；

S32 将待组对的另一节钢管2放置在滚轮12上；

S33 通过滚轮架实现待组对钢管的横向移动、纵向放置以及两个管端上下左右的调整以满足组对完成后钢管的直线度、错边量的要求；

S34 通过输送辊以及滚轮架将组对完成后的钢管横向运输以离开滚轮架区域。

所述模拟匹配可以包括以下步骤：

S221 计算出相邻钢管管端轮廓的几何中心以及纵缝位置；

S222 将相邻管端几何中心重合并将纵缝位置错开一定角度后，计算至少4个位置处的错边量。

进一步地，本发明提供一种可实现上述重型钢管匹配及组对方法的重型钢管匹配及组对系统，其特征在于：包括输送架9和电动台车15，所述输送架9上安装有一列若干根V形传送辊7，所述V形传送辊7可转动地与传动装置11连接；所述电动台车15可沿输送架9纵轴方向移动，其上安装有至少两对滚轮12，其中至少一对滚轮12与滚轮传动机构连接，所述滚轮12分别连接有电动丝杆升降机构13，每对滚轮12连接有电动间距调节机构16。

组对完成的钢管1放于输送架9的V形传送辊7上，可在V形传送辊7的带动下沿输送架9的纵轴方向移动。

待组对钢管节2放于电动台车15的滚轮12上，其高度通过杠杆式电动丝杆升降机构13调节，其左右的偏离度通过电动间距调节机构16调节。

在本发明的实施例中：

所述输送架9上沿其纵轴两侧安装有防坠架8。用于防止组对完成的钢管1的侧翻坠落。

所述V形传送辊7的传动装置11是链式传动装置。

所述电动台车15下安装有行走钢轨6，电动台车15沿行走钢轨6移动。

所述电动台车15上安装有电动升降式托辊5。辅助支撑待组对钢管节2。

本发明还包括有监控主机，监控主机包括轮廓测量单元、模拟匹配单元和自动组对单元，其中：

轮廓测量单元用于测量钢管管端轮廓；

模拟匹配单元用于管端轮廓进行模拟匹配；

自动组对单元用于对满足要求的钢管进行自动化组对。

本发明在钢管卷制过程中对钢管两端进行实时轮廓测量，并记录下数据。通过这些数据一方面可以计算出椭圆度以判断所卷钢管是否达到要求；另一方面将需要组对的管端轮廓进行计算机模拟组对来判断是否符合组对时错边量要求。对不合格的钢管进行有针对性的卷制校圆直到符合要求。

在组对环节，主要控制钢管的横向运输、纵向旋转以及两个管端分别3个自由度的调整来实现精确组对。本发明提出了一种N+1组对方案，每次都通过对一端的单节钢管进行调整以实现组对，将组对完的钢管横向运输到另一端，空出该端后进行第N+1节钢管的组对。为了达到效率以及成本的最佳折中，提出“滚轮架+输送辊”方案。滚轮架用于对单节钢管的纵向旋转以及管端调整，输送辊用于钢管横向运输。

下面对相关工艺进行详细的解释：

测量钢管管端轮廓

利用激光测距仪能精确地测量出管端的轮廓，目前有多种测量方案。一种是将激光测距仪放置在钢管内部，通过旋转激光测距仪或者旋转钢管的方式测量出轮廓；一种是将激光测距仪放置在钢管外侧，激光指向钢管中心，通过转动钢管的方式测量出轮廓。本发明采用钢管固定，两组激光测距仪相对交叉放置在钢管外侧，并且通过上下扫描的方式进行轮廓测量。

图2为该方法的测量原理图。其中，1、2分别为用于放置激光测距仪的立柱，四个激光测距仪3、4、5、6分别放置在立柱上并可以上下扫描。其中3、6以及4、5分别为一组。

图3为测量的原理图，传感器3、6之间距离为，传感器4、5之间距离为，两两交叉的角度为（见图1）。实际需要测量的钢管截面与轴线垂直，设垂直截面与所在截面夹角为（见图1）。当传感器整体移动到某一高度时，可以测得一组数据：、、、，由这四个数值可以得到两个钢管截面在该高度上的弦长，，将和按各自夹角投影到垂直截面上可得该截面上的弦长：

(1)

由上式后二项可得：

(2)

为了准确计算角度，可以将测得的所有高度上的数值按上式进行计算并求平均值。最后，将值代入(1)式可以计算出弦长，经过一次扫描之后就可以根据多个高度上的弦长值拟合出截面的轮廓形状。

这种利用两组激光测距仪测量钢管轮廓的方法可以对任意摆放的钢管且无需转动实现精确测量。

利用管端轮廓进行模拟匹配，对不满足组对要求的钢管进行校圆直至满足要求

当需要对接的相邻管端轮廓被测量后，可以利用计算机实现模拟匹配。如图4所示，通过多个高度弦长的端点拟合出管端轮廓后，利用最小二乘迭代法计算出轮廓中心，其次将两个管端的圆心对齐后根据纵缝错开角度就可以计算出各个位置处的错边量，最后对不满足要求的错边量所在的位置处在卷管阶段就进行有针对性的较圆直至满足要求。

最关键的步骤是如何利用最小二乘迭代法计算出轮廓中心。可以选取一个坐标原点，这样可以将测得的所有弦长的端点转化成坐标，最终形成n个样本坐标。假设要求的轮廓中心为，最小二乘法的思路是当所有样本坐标对应的半径几乎相等即相互之间差值最小时对应的点认为是轮廓的中心。转化成数学模型为：求出，使得函数的值最小，函数称为代价函数，其中，。

由于代价函数较为复杂，难以直接通过导数求解，可采用梯度下降法进行迭代求解。迭代求解公式如下：

; (3)

; (4)

式中，为下降因子。代表迭代的次数。设定迭代终止阈值，即当时，认为即为求得的轮廓中心坐标。

对满足要求的钢管进行自动化组对

1为组对完成的钢管、2为待组对钢管节、3为从动滚轮行走架、4为主动滚轮行走架、5为电动升降式托辊、6为行走钢轨、7为V形传送辊、8为防坠架、9为输送架、10为驱动电机、11为传动装置、12为滚轮、13为电动丝杆升降机构、14为钢轨、15为电动台车、16为电动间距调节机构。

组对系统如图5所示，左边为输送架9，用于将组对完成的钢管1向左边输送以空出右边组对区域；右边为电动台车15，用于对待组对钢管节2进行管口位置调节、回转驱动，共有主、从两对滚轮12。主动滚轮放置最外端，从动滚轮位于靠近组对焊缝端，两个滚轮均具有行走、升降、平移、转动功能，其中从动滚轮上配置了升降支撑辊筒机构，满足组对N+1钢管组对后的工件传送支承。

图6所示为输送架9的细节图。其中传输辊道的辊筒采用V型辊筒，可以适应较大范围管径变化的钢管；且设置由防坠架，防止当钢管直径过大时在输送过程中的失衡。

图7是电动台车15的细节图，主、从滚轮架均采用了全电动丝杆调节方式，调节精度高（可达到毫米级），且可以实现无级可调，在高速状态下可以迅速改变管口位置，低速状态下具有管口组对微调功能，实现管口上下，左右、前后的低速移动，达到多自由度对钢管的调整以满足直线度以及管口错边量的调整。